Dona Fifi aos 19 anos.

Apostilas eletrônicas de Dona Fifi
DUAS GRANDES FÍSICAS:
MARIA CURIE e LISE MEITNER



A radioatividade e o decaimento do núcleo.

Que radiação é essa que é emitida pelos materiais radioativos? Nos primeiros tempos de Maria Curie ninguém sabia ao certo mas, em 1899, o jovem físico inglês Ernest Rutherford mostrou que a radiação provém do núcleo e que as substâncias radioativas emitem basicamente três tipos de radiação.

Partículas alfa. Uma partícula alfa é composta de dois prótons e dois neutrons. Para todos os efeitos, uma alfa é um núcleo do elemento hélio. Isto é, podemos representar uma partícula alfa como 4He2. Como uma alfa tem carga +2 (dois prótons) e um total de 4 partículas (2 prótons + 2 neutrons), um núcleo que cospe (ou emite, se preferir) uma alfa tem seu número atômico diminuído de 2 e seu número de massa diminuído de 4.
Por exemplo, o urânio-238, cujo número atômico é 92, pode emitir uma alfa e virar o núcleo de outro elemento, o tório-234, com número atômico 90. Isso é uma reação nuclear e é escrita como:

238 U 92 ===> 234 Th 90 + 4 He 2 (alfa).

Examine cuidadosamente essa equação nuclear. Veja que o número de massa do elemento à esquerda (238) é igual à soma dos números de massa dos elementos à direita (234 + 4). O mesmo acontece com os números atômicos (92 = 90 + 2). Se não for assim, a equação está errada.
Uma partícula alfa é tão pesada (relativamente, é claro) que não penetra em nossa pele. No entanto, quem respira um gás radioativo que emite alfas está ferrado. Já estando dentro do pulmão a alfa faz um estrago danado.

Partículas beta. A radiação beta se constitui de elétrons emitidos pelo núcleo. Elétrons? E um núcleo tem elétrons? Não tem elétrons livres, mas, um neutron, por razões que não precisamos explicar agora, pode virar um próton cuspindo um elétron para fora do núcleo. A carga elétrica total, dessa maneira, é mantida. Como o núcleo perde uma carga negativa (a beta, sendo um elétron, tem carga -1), seu número atômico cresce de uma unidade, pois ganhou um próton a mais. E como a beta é muito levezinha, o número de massa do núcleo fica o mesmo de antes. Veja o exemplo de um núcleo de cobalto-60 virando níquel-60 depois de emitir uma beta:

60 Co 27 ===> 60 Ni 28 + e-1 (beta).

Essa reação tem importância histórica pois foi usada para provar que a natureza nem sempre conserva as simetrias. Essa história eu conto outra vez. Além disso, para conservar energia antes e depois da reação, foi inventado um neutrino que seria emitido pelo núcleo durante o processo. Esse neutrino é outro personagem esquisito do qual falarei qualquer dia desses.

Raios gama. A radiação gama é a nossa velha conhecida radiação eletromagnética, da mesma família que a luz visível, só que muito mais energética e penetrante. É a mais perigosa das três radiações que podem ser emitidas pelos materiais radioativos. Mas, como não tem carga nem massa (só energia, e muita) não muda nem o número atômico Z nem o número de massa A do núcleo radioativo emitente.

Como vimos antes, um núcleo pesado , com muitos prótons e neutrons, tende a ser instável. Na tentativa de recuperar sua estabilidade, o núcleo emite alfas ou betas e perde a identidade, coitado, vira outro elemento. Esse processo pode ser rápido ou lento, dependendo da estabilidade do núcleo. É aí que entra outro conceito importante: o tempo de vida média do núcleo. É muito fácil entender o que esse tempo significa. Suponha que você tem uma amostra com 100 átomos de um elemento radioativo X. E digamos que, depois de 1 hora, metade desses átomos tenham se transformado, por radioatividade, em átomos de outro elemento Y. Pois bem, diremos que o tempo de vida médio desse elemento X é 1 hora. Em palavras: o tempo de vida médio de um elemento é o tempo necessário (em média) para que metade de uma amostra desse elemento se transforme em outro por radioatividade. Quando um elemento é muito instável, seu tempo de vida média é curto. Dependendo do isótopo considerado, o tempo de vida médio pode ir de frações de segundo a bilhões de anos. O tempo de vida médio de um elemento estável é infinito por definição. Vamos ilustrar esses fatos com o caminho tortuoso que leva um núcleo de urânio-238 até o rádio-226, elemento descoberto pelo casal Curie.

Acompanhe na figura: o urânio-238, que foi preparado nas fornalhas de uma supernova, chega à Terra e aqui fixa morada. Como seu tempo de vida média é de 4,5 bilhões de anos, ele pode muito bem estar aqui desde que a Terra se formou. A cada 4,5 bilhões de anos, um núcleo desse urânio emite uma alfa e vira um isótopo de tório-234. Observe que 238-4=234 e 92-2=90. Esse tório-234 vive, em média, apenas 24,1 dias, pois logo emite uma beta e vira protactínio-234. Veja que esse protactínio tem o mesmo A do tório de onde veio, mas tem um Z com 1 unidade a mais. Ele vive muito pouco, apenas cerca de 1 minuto. Logo, logo, emite outra beta e volta a ser urânio, só que agora é o urânio-234. Esse vive 245.000 anos mas, acaba emitindo uma alfa e se transformando em outro tório, o tório-230. Que também tem vida longa, agüenta 8.000 anos. Mas, depois emite outra alfa e se transforma no rádio-226, elemento que o casal Curie isolou do resíduo de minérios austríacos.
O processo não pára por aí, pois o rádio ainda é muito radioativo, como Maria Curie descobriu. Depois de outras idas e vindas pela tabela periódica, o núcleo acaba virando um núcleo de chumbo-206 (206Pb82) e, finalmente, encontra a paz. O chumbo-206 é estável e tem vida eterna.
Trajetórias como essa, de um elemento radioativo até alcançar a estabilidade, foram catalogadas pelos físicos e químicos desde os tempos dos Curie e hoje são bem conhecidas. Servem para explicar inúmeros fenômenos que ocorrem nas estrelas e planetas e para medir a idade de rochas e material biológico. Como prometí, em breve contarei essa interessante história.

Apostila 6: Uma tarde no laboratório de Lise Meitner e Otto Hahn.

Apostila 7: Bombardeando núcleos com neutrons.

Apostila 8: Lise Meitne, a fissão nuclear e o prêmio Nobel.